隧道内弹塑性钢管混凝土防撞系统设计及列车撞击荷载研究

王冠翰 杨长卫 袁成 王志伟

1.西南交通大学 土木工程学院， 成都 610031； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081

高速列车脱轨会造成严重后果，特别是若脱轨发生在隧道内，不仅威胁乘客人身安全，还有可能撞向隧道结构甚至冲到邻近线路引发二次灾害。在隧道内设置防撞设施可以减轻列车脱轨以后引发的灾害。

现阶段对于列车脱轨后产生撞击的研究主要集中在两方面：①模拟列车撞击过程；②对列车脱轨行为进行研究。

在列车撞击方面，Kirkpatrick 等［1］通过使用比例模型和全尺寸结构对车辆和部件进行静态和动态测试，对碰撞过程进行分析，用试验和计算方法来评估轨道、车辆的耐撞性。Xie等［2］利用HYPERMESH 软件建立地铁列车前三节车厢和轨道有限元模型，评估地铁列车的耐撞性。Milho 等［3］提出了一个经过验证的基于多体动力学的模型，用于设计列车碰撞部件。Dias 等［4］提出了一种耐撞结构设计方法，并用于复杂车辆结构仿真和设计。Lu 等［5］研究发现耦合器元件为车辆提供了缓冲，减少了后续车辆对前部车辆的影响，并给出了前端和中间端能量吸收计算公式。Sutton［6］介绍了不同车辆的设计、制造以及车辆碰撞标准，概述了该标准的结构。邓志鑫等［7］研究了列车撞击作用下盾构隧道管片接头的错动和张开，揭示了在列车小角度撞击作用下盾构隧道管片接头张开和错动特性。晏启祥等［8］研究了时速200 km 高速列车的撞击荷载，分析了盾构隧道二次衬砌对衬砌管片的防护效果。肖明清等［9］研究了不同类型列车的撞击荷载特性，以及对盾构隧道管片衬砌的破坏特性。朱翔等［10］模拟并分析了列车脱轨后撞击站房柱的破坏状况以及站房结构发生连续倒塌的全过程。

在列车脱轨方面，Hung等［11］提出了一种检测铁路车辆脱轨早期迹象的技术，研究了低速车轮爬坡脱轨的比例车辆模型的数值模拟方法。Liu 等［12］对轨道类型、脱轨速度和原因进行了分类研究。Reznikov［13］提出了一个评估列车脱轨风险的多层次模型。Nii 等［14］采用区间估计方法，利用藤株分位数回归模型预测脱轨严重程度的条件均值和分位数。Ulf 等［15］测试了一种新型电子脱轨探测器。李修文等［16］研究了列车脱轨后下落过程并对脱轨后撞击轨枕的次数进行了推导。

以上研究主要针对列车撞击后的响应以及防撞设计，对于防撞措施的相关研究有限，且没有针对隧道内防撞设施的研究。列车在隧道中脱轨后的撞击过程十分复杂，现有研究成果难以满足铁路隧道内的减灾工程需求。因此，有必要对隧道内防撞设施的适用性展开系统研究。

本文提出了一种新型防撞系统，它由W 梁、W 梁连接件、吸能块和钢管混凝土防撞墩组成，并通过建立列车-防撞系统的非线性接触耦合模型，研究防撞系统在不同工况下列车脱轨撞击荷载特征以及列车动力响应，并分析新型防撞系统的抵挡效果，为隧道内防撞设施设计与结构优化提供参考。

1 列车-防撞系统动态接触模型

利用ABAQUS 软件建立列车与新型防撞系统（以下简称防撞系统）的动态接触模型。整个模型分为列车本体、防撞系统以及隧道与路面结构。其中，列车与防撞系统直接参与撞击过程。

过于精细建模会降低计算效率，加之列车脱轨过程并非本文研究重点，因此对模型与列车、路面的接触进行适当简化。

1.1 总体模型

列车-防撞系统-隧道动态接触分析模型如图1所示。车头总长26.20 m，其流线形区域长4.78 m，中间车长24.76 m，各车厢之间间隔0.50 m。

图1 动态接触的列车-防撞系统-隧道耦合分析模型

用弹簧模拟车厢之间的挂钩，弹簧力学参数参考国内常用车钩和缓冲装置的力学性能参数。弹簧刚度为2 000 kN/m。弹簧阻尼系数为40 kN/m［17］。

假定脱轨模式为头车脱轨，选取了典型的8 节车厢进行撞击过程模拟。列车头部流线形部分材料采用玻璃钢，其余部分材料采用铝合金。列车材料力学参数见表1。

表1 列车材料参数

1.2 防撞系统分析模型

防撞系统（图2）主要由钢管混凝土防撞墩、吸能块、W 梁以及W 梁连接件组成。防撞墩、吸能块和W梁分别在相应位置预留有孔洞，各部分之间由螺栓连接。

图2 防撞系统

W 梁（图3）是主要的吸能部件，本文中梁采用钢作为基础材料。W 梁长6.00 m，厚0.02 m，横截面整体高0.56 m。其两边波形高0.20 m，深0.15 m，中间连接部分高0.16 m。

图3 W梁（单位：m）

吸能块位于W 梁与防撞墩之间，具有连接两部分构件和吸能的作用。吸能块能吸收部分冲击能量，进一步降低传递至防撞墩的能量，减小防撞墩的设计尺寸。吸能块（图4）采用厚0.01 m 的钢材，两端分别为半径0.16 m 的半圆弧和0.38 m 长的平板，分别紧密连接W 梁与防撞墩。中部由一段圆弧构成，在遭受冲击荷载时起缓冲吸能作用。

图4 吸能块（单位：m）

防撞墩位于整套防撞系统的最后，也是最重要的部分。作为防撞系统的最后一道防线，其抗冲击能力须要得到保障。因此，本文防撞墩采用钢管混凝土。其优点在于抗冲击能力相对于现浇混凝土有大幅提升。防撞墩（图5）由外部钢管和内部混凝土构成，外部钢管设计有两排孔洞，与两排吸能块的孔洞用螺栓连接。钢管外径0.16 m，厚0.01 m，高1.00 m。内部混凝土柱半径0.15 m，高1.00 m。

图5 防撞墩（单位：m）

为了提高计算效率，在ABAQUS 中建模时将防撞系统各部件之间的连接关系简化，通过相互作用中的“绑定”选项将各部件连接在一起。

材料力学参数见表2，由于一般混凝土的本构模型基本只适用于静力荷载的情况，而在本研究中混凝土柱受到的撞击荷载作用时间短且冲击力大，因此，本文的混凝土本构模型采用HJC 本构模型［18］。该模型可以较好描述混凝土材料在大变形、高应变率下的力学行为。

表2 混凝土材料力学参数

2 计算结果及分析

防撞系统的抵挡效果与列车撞击后的动力响应密切相关，比如列车受到的撞击力以及撞击力的峰值、列车撞击后的速度和位移，以及列车撞击后的姿态变化。需要分析列车在不同角度、不同速度下的撞击力以及撞击前后的速度、位移变化与姿态变化。

2.1 撞击力时程曲线和峰值曲线

为了获取不同撞击角度、撞击速度下的撞击力时程曲线，采取车头脱轨偏离行驶方向2°、3°和5°三种脱轨撞击角度，100、150、200、300 km/h四种速度，合计12种工况进行分析。车头撞击力时程曲线见图6。

由图6 可知：①撞击力时程曲线整体呈现先增加后减小的趋势。②撞击力与撞击速度和撞击角度密切相关。在撞击角度相同时，速度越快撞击力越大，撞击角度5°、速度300 km/h时撞击力峰值可达5 000 kN；撞击速度相同时，撞击角度越大撞击力越大。撞击角度对撞击力的影响显著，撞击角度越大撞击力曲线波动越大，峰值曲线越高耸，随着角度减小撞击力曲线趋于平缓。当撞击角度为2°时，不同速度下撞击力整体上明显小于3°与5°时，同时速度变化带来的影响也明显减弱，不同速度下撞击力差距不明显。这是由于角度减小后横向速度分量差距减小。

撞击力峰值曲线见图7。可知，当撞击角度为3°和5°时，撞击力随速度增加而增加的趋势非常明显，而在2°时不同速度下的撞击力峰值相差不大。这说明列车脱轨时角度越大横向速度越快，产生的撞击力就越大，造成的后果越严重。

图7 撞击力峰值曲线

2.2 防撞墩对脱轨列车的拦截效果

评价防撞墩对列车的拦截效果可从撞击后的速度、位移变化以及列车姿态变化来评价。除此之外，防撞墩在受到撞击后的形变以及破坏情况也值得关注。为了安全考虑，防撞墩设计需要选择最不利的工况进行分析，因此选取撞击角度5°的四个工况进行分析。车头中轴线上节点横向速度、位移时程曲线见图8。可知，列车撞击防撞墩后横向速度立刻减小，而横向位移持续增加。这是因为列车撞击防撞墩的W梁与吸能块部件导致其变形并吸收撞击能量，在横向速度减小到0时列车横向位移达到峰值。随后列车开始向撞击的反方向运动，其横向速度在反方向增加后逐渐趋近于定值，而横向位移持续反方向增加，说明车头在撞击受到反作用力后行进姿态发生改变，防撞墩成功阻止了其侵入邻近线路。对比不同速度下的速度和位移时程曲线可以看到，速度越快则车头反向运动速度越快，反向位移越大。

列车撞击防撞墩前后的姿态变化见图9。可知，头车在撞击后明显开始向反方向移动。在头车撞击时由于列车连接结构的作用，后续车辆也间接参与撞击过程，后续车辆会不断作用在前方车辆并形成堆叠效应。在一定距离内撞击产生的堆叠效应随着距离的增加而逐渐减弱。在0.2 s时前端的头车变形最大，后续车辆距撞击前端越远变形越小，尾车基本没有变形。撞击产生的堆叠效应主要集中在前三节车厢，后部车厢几乎不受影响。

在撞击角度5°，速度300 km/h 时防撞系统形态变化见图10。可知：直接与列车撞击的W 梁部件发生了明显形变，位于中间的吸能块也在W梁的挤压下发生了形变，后方的钢管混凝土防撞墩也发生了一定的形变和碎裂，但防撞系统整体依然保持完整，没有发生严重的结构性破坏，说明在当前设计参数下防撞系统可以抵挡5°撞击角度下300 km/h脱轨列车的撞击作用。

图10 撞击后防撞系统形态变化（单位：Pa）

3 结论

本文通过建立列车-防撞系统-隧道耦合有限元模型，分析不同工况下的撞击荷载，并分析了防撞系统对列车的抵挡作用，研究了列车与防撞系统在撞击后的受力变形特征。得出以下结论：

1）列车对防撞系统的撞击力随着撞击角度与撞击速度的增大而增大，其中撞击角度对撞击力的影响更为显著。当撞击角度小于一定值时不同速度下撞击力区别不大，随着撞击角度增大列车撞击力明显增加，撞击力曲线波动更加明显，撞击力峰值更大。

2）通过分析最不利工况下列车车头的横向速度、位移时程曲线以及列车撞击前后的姿态变化可知，防撞系统有着较好的拦截作用，通过吸收能量和刚性抵挡的双重作用使得脱轨列车不具备进一步侵入邻近线路的能力。

3）通过分析防撞系统在撞击后的形态变化可知，在目前设计参数下，防撞系统在撞击角度5°、脱轨速度300 km/h 的脱轨列车撞击作用下可以发挥良好的拦截作用，同时保持整体结构不发生严重破坏。但在吸收列车撞击能量，减小列车受到的反作用力等方面还有待提升。